張建

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司、中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195）

0 引言

公路高邊坡的加固方法較多，常見的有擋土墻、錨桿框架梁、三維網(wǎng)植草護(hù)坡、圬工防護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿（索）等，需結(jié)合不同地質(zhì)、地形環(huán)境采用不同的加固方案。公路高邊坡的錨固防護(hù)多采用離心模型、理論公式、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行工程類比分析，但據(jù)此采用的高邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案一般存在較大的安全冗余度，會(huì)增大施工防護(hù)的成本。為此，結(jié)合實(shí)際工程需要，優(yōu)化公路高邊坡安全防護(hù)方案有重要意義。

1 公路高邊坡加固方法

1.1 抗滑樁加固法

抗滑樁是樁型結(jié)構(gòu)，能夠防止公路高邊坡巖土體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)，且能提供較大的阻抗作用。抗滑樁加固法主要采用長方形截面構(gòu)造，適用于完整度較好、裂隙發(fā)育較小、滑動(dòng)面傾角小的路基滑坡?？够瑯兜募庸绦Ч蜆扼w布置間距、尺寸、排列方式等密切相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)中主要采用單排、豎排布設(shè)方式，布設(shè)于巖土滑體較薄、受力較小的位置[1]。

1.2 錨桿（索）加固法

錨桿（索）加固法主要是將粗鋼筋、鋼絞線等受拉結(jié)構(gòu)端部固定在公路邊坡巖土體中，受拉結(jié)構(gòu)的另一端需要銜接于邊坡表面。錨桿（索）能夠承擔(dān)水、土壓力造成的路基邊坡推力，利用錨固力保證邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。錨桿（索）需要布設(shè)在高邊坡潛在滑動(dòng)面的較深位置，其埋設(shè)深度可達(dá)到數(shù)十米，加固效果較為顯著。在現(xiàn)場(chǎng)邊坡噴錨施工中，多采用預(yù)應(yīng)力錨桿和掛網(wǎng)噴錨結(jié)合的形式，且需要在高邊坡表面構(gòu)建聯(lián)系梁，以提高高邊坡的整體穩(wěn)固性。

1.3 護(hù)坡

高邊坡護(hù)坡主要是為了防止外界環(huán)境對(duì)坡面產(chǎn)生風(fēng)化和沖刷，避免邊坡巖土體在侵蝕下出現(xiàn)塌落和崩解。公路高邊坡護(hù)坡面層的高度較高、厚度較小，是非承重受力結(jié)構(gòu)，不承受巖土體荷載作用，主要適用于穩(wěn)定性良好的高邊坡防護(hù)。護(hù)坡主要分為錨桿掛網(wǎng)噴漿護(hù)墻、片石護(hù)墻兩種。錨桿掛網(wǎng)噴漿護(hù)墻的護(hù)坡效果相對(duì)較好，且施工機(jī)械化程度較高，施工中需要構(gòu)建泄水孔；片石護(hù)墻則主要配套于擋墻工程，在坡腳及擋墻上部坡面的防護(hù)中應(yīng)用較廣。

1.4 土釘加固法

土釘加固法需要在公路邊坡中構(gòu)建拉筋，以改善巖土體結(jié)構(gòu)內(nèi)力，主要適用于黏性土、雜填土、黃土、粉土等強(qiáng)度較差的路基邊坡，一般需要和預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)合。土釘加固法需要采取短臺(tái)階逐級(jí)下挖施工方式，單臺(tái)階切坡厚度需要控制在2m 以內(nèi)，且切坡需要在后續(xù)邊坡表層防護(hù)施工中保持穩(wěn)定，加固后的邊坡坡面、坡頂變形較小。土釘加固法具備施工簡單、成本較小等優(yōu)點(diǎn)，鉆孔及混凝土噴射設(shè)備移動(dòng)靈活，相較于抗滑樁、護(hù)坡等方案的經(jīng)濟(jì)投入更小[2]。

2 工程概況

廣西某山區(qū)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ級(jí)公路，雙向六車道，設(shè)計(jì)車速80km/h，設(shè)計(jì)起止點(diǎn)為K0+000—K37+250，設(shè)計(jì)全長37.25km。項(xiàng)目沿線山勢(shì)陡峭，地質(zhì)、地形環(huán)境較為復(fù)雜，路段K6+500—K7+500 一側(cè)存在高度為100～120m 的深厚堆積體邊坡。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)勘查檢測(cè)，地層巖性特征如下：場(chǎng)地大范圍分布崩坡積層，內(nèi)部成分較為復(fù)雜，均勻性較差，內(nèi)部含有碎裂巖體、碎石、粉質(zhì)黏土等。其中，粉質(zhì)黏土主要為棕黃色，可塑，局部軟塑；碎石主要包含泥巖和砂巖，粒徑分布在5～25cm 之間，碎石、砂巖多為中風(fēng)化，泥巖為中—強(qiáng)風(fēng)化，巖芯完整，呈長柱狀。地質(zhì)剖面如圖1 所示[3]。根據(jù)路線設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，擬對(duì)該區(qū)域進(jìn)行坡腳切角開挖，同時(shí)設(shè)計(jì)錨索抗滑樁，以確保公路路基邊坡的穩(wěn)定性，不考慮地下水作用，設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于1.3。

圖1 地質(zhì)剖面示意圖（單位：m）

3 有限元模型分析

3.1 模型構(gòu)建

項(xiàng)目選取斷面K7+000 作為典型斷面開展FLAC2D 有限元模型分析，模型計(jì)算參數(shù)如表1 所示。模型中巖土體采用實(shí)單元模擬，四邊形劃分網(wǎng)格，模型總共包含18569 個(gè)節(jié)點(diǎn)，10251 個(gè)單元；土層之間界面設(shè)置為連續(xù)，巖土開挖處采用空單元模擬。邊界條件設(shè)置如下：模型底部固定水平、豎向位移，左右兩側(cè)邊界固定水平位移。土體本構(gòu)采用摩爾庫倫模型。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 天然邊坡

針對(duì)天然邊坡，采用FLAC2D 強(qiáng)度折減有限差分法，對(duì)邊坡開挖影響進(jìn)行穩(wěn)定性分析，項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行M-P 法的安全系數(shù)計(jì)算。結(jié)果表明，有限元計(jì)算得到天然邊坡安全系數(shù)為1.25，開挖邊坡的安全系數(shù)為1.24，而M-P 法計(jì)算得到的開挖邊坡安全系數(shù)為1.21。兩者安全系數(shù)較為接近，誤差較小，有限元法計(jì)算的安全系數(shù)要大于后者，主要?dú)w因于M-P 法需要針對(duì)邊坡條塊進(jìn)行受力假定，沒有充分考慮巖土結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分散關(guān)系，且黏土層會(huì)造成整個(gè)邊坡巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的復(fù)雜化；采用有限元法和M-P法計(jì)算得到的安全系數(shù)均無法滿足目標(biāo)安全系數(shù)（1.3）的要求。邊坡中黏土層強(qiáng)度較低，對(duì)邊坡整體安全系數(shù)的影響不可忽視?，F(xiàn)場(chǎng)開挖時(shí)對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，得出：邊坡內(nèi)部存在3 個(gè)位移突變點(diǎn)，其中，1 號(hào)突變點(diǎn)位于黏土層上側(cè)的位置，2 號(hào)突變點(diǎn)位于邊坡巖土體的交界面，3 號(hào)突變點(diǎn)位于黏土層下側(cè)的位置。實(shí)測(cè)和計(jì)算獲取的邊坡臨界滑裂面如圖2 所示[4]。

圖2 邊坡臨界滑裂面對(duì)比圖（單位：m）

3.2.2 錨索抗滑樁邊坡加固

依據(jù)上述分析，項(xiàng)目采用錨索抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固?？够瑯吨饕贾迷谠O(shè)計(jì)公路的一側(cè)，具體布置如圖3 所示。采用有限元模擬計(jì)算時(shí)，抗滑樁采取樁單元模擬，錨索采用錨索結(jié)構(gòu)單元模擬，錨索加固系統(tǒng)采用彈簧來模擬軸向強(qiáng)度，錨索和巖土體之間的界面摩擦、黏結(jié)強(qiáng)度主要采用彈簧—滑塊單元模擬；抗滑樁長度設(shè)計(jì)為55m，截面尺寸1.5m×1.5m，單根抗滑樁上需要布置7 根錨索，錨索錨固角度設(shè)計(jì)為20°；錨索和巖土體之間接觸參數(shù)設(shè)置如下：錨固段單位長度黏結(jié)力設(shè)置為1.5×106N/m，錨固段剛度設(shè)計(jì)為1.2×1010N/m2，錨索預(yù)應(yīng)力通過在兩端施加1500kN的拉力來實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目同樣采用有限元法對(duì)錨索抗滑樁加固后的邊坡開展穩(wěn)定性分析，獲取安全系數(shù)為1.31，滿足目標(biāo)安全系數(shù)的要求?？够瑯对O(shè)置后，樁后土體存在較大變形，樁后土體塑性破壞，且滑坡面直接透過樁頂部位置，因此需適當(dāng)提升抗滑樁樁長[5]。

圖3 抗滑樁加固示意圖（單位：m）

3.3 樁體內(nèi)力

對(duì)抗滑樁樁體內(nèi)力進(jìn)行分析有助于優(yōu)化樁身設(shè)計(jì)尺寸，抗滑樁樁身剪力計(jì)算可通過樁體樁前樁后巖土體推力、抗力之差獲得，樁體剪力隨深度變化如圖4（a）所示，抗滑樁彎矩隨深度變化如圖4（b）所示。結(jié)果表明，邊坡存在黏土層的位置有較小的破壞強(qiáng)度，滑裂面多產(chǎn)生在黏土層附近，此時(shí)樁體推力明顯增大。此外，樁底部位置由于承受明顯的固定作用力，其內(nèi)部剪力也相對(duì)較大。樁體最大剪力出現(xiàn)在深度30m、50m 處，達(dá)到15000kN；樁體彎矩呈對(duì)稱狀分布，最大彎矩值出現(xiàn)在深度40m 位置，達(dá)到175000kN·m；樁頂和樁底位置的彎矩則相對(duì)較小，樁身彎矩出現(xiàn)反彎現(xiàn)象[6]。

圖4 抗滑樁樁身內(nèi)力分布圖

3.4 樁長、樁徑對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

該項(xiàng)目設(shè)置樁長分別為50m、55m（初始值）、60m、65m，樁徑分別為1.2m、1.5m（初始值）、1.8m、2.4m。分別構(gòu)建上述模型，進(jìn)行邊坡開挖穩(wěn)定性分析，得到表2、表3 所示的安全系數(shù)。結(jié)果表明，在抗滑樁不同樁長下，保持模型中其余參數(shù)不變，樁長越長邊坡的安全系數(shù)越大?？够瑯稑堕L為50m 時(shí)，安全系數(shù)不滿足目標(biāo)要求，說明過小的樁長難以充分發(fā)揮抵抗土體的作用，容易產(chǎn)生樁體傾覆現(xiàn)象；但樁長過長容易造成施工成本增加。在保持樁長55m 的情況下，改變樁徑進(jìn)行模型計(jì)算。結(jié)果表明，隨著樁徑的不斷增大，安全系數(shù)的增大效果不明顯。樁徑大于1.5m 時(shí)，邊坡的安全系數(shù)幾乎不變；樁徑小于1.5m時(shí)，安全系數(shù)不滿足要求。因此，需合理樁徑設(shè)計(jì)，以免材料浪費(fèi)[7]。

表2 不同樁長下邊坡的安全系數(shù)

表3 不同樁徑下邊坡的安全系數(shù)

4 結(jié)語

公路高邊坡常見于復(fù)雜地形中，且高邊坡具有較大的路堤自重及復(fù)雜土層分布，使得邊坡加固設(shè)計(jì)難度較大，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響公路工程施工質(zhì)量。文章依托廣西某公路高邊坡開展抗滑樁加固分析，并對(duì)不同抗滑樁影響因素下邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，獲取了可靠結(jié)論，能夠?yàn)轭愃祈?xiàng)目建設(shè)提供一定的參考。